Grundwissen Physik 8. Jahrgangsstufe I. Mechanik 1. Mechanische

Gymnasium Fränkische Schweiz
Grundwissen Physik 8. Jahrgangsstufe
Freundlicherweise zur Verf€gung gestellt vom Gymnasium Eckental
I. Mechanik
1. Mechanische Energieformen
Man unterscheidet:
- Potenzielle Energie mit den Energieformen
Höhenenergie (Lageenergie)
1
E pot = mgh und Spannenergie E Sp = Ds 2
2
Fallbeschleunigung (Ortsfaktor): g = 9,81 m
s2
Einheit: [ E ] = 1 J (Joule)
-
kg ⋅ m
kg ⋅ m 2
Wichtige Umrechnung: 1J =1Nm =1
bzw. 1N =1
2
s2
s
1 2
kinetische Energie (Bewegungsenergie) E kin = mv
2
Für die Energieumwandlungen gilt der Energieerhaltungssatz:
In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant (Evorher = Enachher)
bzw. die abgegebene Energie ist gleich der zugeführten Energie:
(Eab = Ezu).
Beispiel: Energieumwandlungen beim springenden Ball:
Epot
Ekin
am größten wird kleiner
0
0
wird größer am größten
Esp
0
0
0
0
0
wird größer
wird kleiner
...
0
am größten
0
0
2. Arbeit
Wirkt auf einen Körper eine Kraft längs eines Weges, so ändert sich die Energie. Die dadurch bewirkte
Energiedifferenz heißt Arbeit W.
W = ΔE
Ist die Kraft konstant, so gilt:
Arbeit ist Kraft (in Wegrichtung) mal Weg.
W = F ⋅ s , wenn F s
Einheit: [W ] = 1 Nm = 1 J
3. Formen mechanischer Arbeit
- Hubarbeit
WHub = ΔE pot = mgΔh
- Beschleunigungsarbeit
1
2
2
WB = ΔE kin = m vnach
− vvor
2
- Spannarbeit
WSp = ΔE Sp =
- Reibungsarbeit
WRe ib = FRe ib ⋅ s
(
)
(
)
1
2
2
D s nach
− s vor
2
Goldene Regel der Mechanik:
Die Arbeit, also das Produkt aus Kraft (in Wegrichtung) und Weg bleibt stets gleich.
WHub = FG ⋅ Δh
Beispiele zur „Goldenen Regel“:
a)
Flaschenzug
Bei einem Kraftwandler bringt eine
FZug = 1/2 FG , Zugweg = 2⋅Hubweg
„Was man an Kraft spart, muss
man an Weg zusetzen.“
Kraftübersetzung stets eine gleich große Weguntersetzung mit sich:
Δh
b) Treppensteigen
Die Hubarbeit ist nur abhängig vom Höhenunterschied Δh und nicht vom zurückgelegten Weg.
4.
Leistung und Wirkungsgrad
Leistung ist Arbeit pro Zeit. P =
Einheit: [ P ] = 1
W
t
J
= 1 W (Watt)
s
Wirkungsgrad
η=
E Nutzen WN PN
=
=
E Aufwand W A PA
Bei realen Maschinen ist EA>EN , also
η <1.
II. Wärmelehre
1. Teilchenmodell und innere Energie
Alle Stoffe bestehen aus Teilchen, die sich in ständiger ungeordneter Bewegung befinden (Brownsche
Bewegung).
Die innere Energie eines Körpers besteht aus der Summe aller kinetischen Energien seiner Teilchen
und aus der Summe aller potenziellen Energien, die die Teilchen aufgrund gegenseitiger Anziehung
haben.
Das Volumen fester, flüssiger und gasförmiger Körper ist temperaturabhängig.
Anomalie des Wassers
Wasser hat bei 40C seine größte Dichte, d.h. es nimmt bei 40C sein geringstes Volumen ein.
2. Temperatur
Je größer die mittlere kinetische Energie der Teilchen eines Körpers ist, desto größer ist seine
Temperatur.
Celsius und Kelvinskala
Tiefste Temperatur : 0 K =
ˆ -273 0C
Bei 0K ist die mittlere kinetische Energie der Teilchen 0.
3. Innere Energie, Aggregatszustände
Eine Zunahme der inneren Energie kann die Temperatur erhöhen oder den Aggregatszustand ändern.
Aggregatszustände und Umwandlungsenergien
Übergang fest → flüssig: Schmelzen
Übergang flüssig → fest: Erstarren
Übergang flüssig → gasförmig: Verdampfen
Übergang gasförmig → flüssig: Kondensieren
Zum Schmelzen bzw. Verdampfen eines Stoffes ist
Schmelz- bzw. Verdampfungsenergie notwendig,
beim Erstarren bzw. Kondensieren wird die
jeweilige Energie wieder frei.
T
Energie
4. Definition der Wärme
Die Wärme Q gibt an, wie viel innere Energie von einem Körper auf einen anderen übertragen wird.
Es gilt:
Q = ΔEi .
III. Elektrizitätslehre
1. Ladung
Körper können positiv ( Elektronenmangel ) oder negativ ( Elektronenüberschuss) geladen sein.
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.
Atome bestehen aus einem positiv geladenem Kern und negativ geladener Elektronenhülle. Der
Atomdurchmesser ist von der Größenordnungen 10-10m.
Der elektrische Strom in metallischen Leitern entsteht durch die Bewegung freier Elektronen.
Der Betrag der Ladung eines Elektrons bzw. eines Protons ist die
Elementarladung e=1,6·10-19C.
Die technische Stromrichtung ist von + nach -, die Bewegung der
Elektronen im Leiter von – nach +.
Einheit der Ladung: [Q] = 1C = 1As.
2. Strom, Spannung, Widerstand
Die Stromstärke I gibt an, welche Ladung
ΔQ in einer bestimmten Zeit Δt durch einen
Leiterquerschnitt transportiert wird.:
I =
ΔQ
.
Δt
Definition des Widerstandes R:
R =
U
I
Gesetz von Ohm: U ~ I in Metallen bei konstanter Temperatur T .
Amperemeter werden in Reihe, Voltmeter parallel geschaltet.
Beispiel: U-I-Kennlinien von Leitern
T ≠ konst.
T=konst.
3. Elektrische Arbeit und Leistung
W = U ⋅ I ⋅ t und P = U ⋅ I mit [ W ] = 1 J = 1 Ws ; 1 kWh = 3,6 ⋅ 10 6 J ;
Beispiel: Bestimmung des Wirkungsgrads η bei Erhitzen von Wasser.
Gemessen wird U,I (bzw. P), die Masse des Wassers und die Temperaturänderung.
η ergibt sich dann aus der untenstehenden Gleichung
4. Elektrische Schaltungen
.
Reihenschaltung
Parallelschaltung
U = U1 + U2 und I = I1 = I2 , Rers = R1 + R2
U1=U2; I= I1 +I2 ; 1 = 1 + 1
Rers R1 R 2
IV. Häufig verwendete Vorsilben von Einheiten
Name
Symbol
Nano
Mikro
Milli
Dezi
n
μ
m
d
Beispiel
1nm = 10-9m
1μm = 10-6m
1mg = 10-3g
1dm = 10-1m
Name
Symbol
Hekto
Kilo
Mega
h
k
M
Beispiel
1hPa = 102Pa
1kN = 103N
1MW = 106W